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GIL PINHEIRO 1

Modelo OSI - A Camada Física

Prof. Gil Pinheiro

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Detalhes da Camada Física

• Meio físico

• Sinalização Analógica x Digital

• Comunicação Paralela x Serial

• Modos de Transmissão (Simplex, Half-

Duplex, Full Duplex)

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Tipos de Meio Físico

• O meio físico provê a propagação do sinal. Alternativas: – Cabo tipo par trançado

– Cabo coaxial

– Cabo de fibra ótica

– Radio freqüência

• A escolha do tipo de meio deve ser avaliada pelo projetista baseando-se nos fatores: distância, taxa de transmissão, local de instalação, EMI

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Aspectos Importantes

• Quando um sinal se propaga num meio,

físico ocorre degradação do mesmo

– Atenuação (perda de potência do sinal)

– Distorção e arredondamento

– Reflexão de sinal

– Acoplamento cruzado

– Interferência Eletromagnética (EMI)

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Atenuação • Meio físico real

– Resistência elétrica e o efeito skin geram perda de sinal

– Meio físico está sujeito a vários tipos de ruído (térmico, EMI, acoplamento cruzado, aterramento deficiente, ...)

– Atenuação diminui a relação sinal/ruído ( S/N)

Transmissor Receptor Ruído 2 Ruído 1 Atenuação/Distorção

Meio Físico Real

Sinal de

Entrada

(Si)

Sinal de

Saída

(So)

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Acoplamento Cruzado • Sinal acoplado de outros cabos (de comunicação)

– Acoplamento mútuo, indutivo e/ou capacitivo, entre dois ou mais pares de cabos de sinal

– É um tipo de ruído

– Diminui a relação sinal/ruído ( S/N)

Acoplamento cruzado

Meio físicos próximos (acoplados)

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Distorção e Arredondamento • Distorção do sinal digital devido a

atenuação de componentes de frequências superiores

• Devido basicamente a capacitância do cabo associada a alta impedância do transmissor (constante RC)

• Quanto maior a constante RC, maior deformação do sinal (menor banda passante)

• Perda de componentes de ordem superior leva a redução da relação S/N com taxas de transmissão mais altas

• Solução: usar circuitos de baixa impedância, promover casamento de impedâncias (transmissor, cabo, receptor), reduzir taxa de transmissão

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Reflexão de Sinal • Ocorre reflexão de sinal numa Linha de Transmissão

(L.T.) se não houver casamento de impedâncias: – Impedância do Receptor: ZI ; do Transmissor: ZO

– Impedância da L.T. : ZL = [ (R+j L) / (G+j C) ]½

– Numa L.T. sem atenuação (R=0 e G=0): ZL = [ L/C ]1/2

– Para não haver reflexões: ZO = ZL = ZI

– Reflexões distorcem o sinal, diminuindo relação S/N

Transmissor Receptor

Sinal de

Entrada

(Si)

Sinal de

Saída

(So) Zo Zi

Linha de Transmissão

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Ruídos e EMI • Há diversos tipos de ruídos: impulsivo, térmico, flicker,

intermodulação, etc.

• Alguns tipos de ruído podem ser atenuados através de técnicas

de blindagem e aterramento

• O ruído é função da banda passante e impedância do canal:

– banda passante potência do ruído (N)

– impedância do canal susceptibilidade ao ruído

• Tensão eficaz de ruído térmico: EN = [ R.K.T.B ]1/2

– Onde: R= resistência de entrada do amplificador, K=constante,

T=temperatura, B=largura de banda do canal

• Recomendação: usar canais de banda estreita e baixas

impedâncias nos circuitos de redes

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Dependência S/N x BER • O ruído limita o desempenho das redes e barramentos de

campo (gerando erros, retransmissão de mensagens e atrasos

na comunicação)

• Se relação S/N diminui erros de comunicação aumentam

( BER = Bit Error Rate)

• Equação de Shannon-Hartley (Canal com Ruído):

C = W log2 [ 1 + (S/N) ]

– C: limite máximo, teórico, da taxa de transmissão do canal

(bits/s)

– W: banda passante do canal (Hz)

– S: potência do sinal (Watts)

– N: potência do ruído (Watts)

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Par Trançado • Utilizados em redes de campo, redes Ethernet

• Baixo custo

• Instalação e manutenção mais baratas

• Arranjo trançado aumenta rejeição de ruídos externos

• Pode ser dotado de blindagem para melhorar rejeição de ruído

• Pode ser dotado de malha metálica para melhorar resistência mecânica

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Cabo Coaxial • Baixo custo, porém mais caro que par trançado

• Maior banda passante que par trançado

• Maior rejeição de ruído que o par trançado

• Maior resistência mecânica que o par trançado

• Instalação e manutenção mais complexas

• Requer conectores especiais.

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Cabo Coaxial

Cabo coaxial de

50 ohms (RG-58) Conectores BNC,

de 50 ohms

Derivação de rede

utilizando conector

BNC-T

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Fibra Óptica • Filamento de material ótico (quartzo, plástico e vidros) capaz de

conduzir a luz. Opera normalmente no modo simplex

• Fibras plásticas são mais baratas, porém possuem maior atenuação

• Taxas de transmissão elevadas: > 2 Gbps

• Diâmetro de 2 a 125 m

• Composta por três partes básicas: núcleo, casca e capa protetora

• Vantagens: imunidade a ruídos, isolação entre pontos conectados

• Desvantagem: custo (interfaces e manutenção), menor resistência mecânica (tração e curvas bruscas)

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Fibra Óptica • Tipos monomodo e multimodo

• Valore Típico de Banda Passante x Distância

– Multimodo: 500 MHz.Km

– Monomodo: 100.000 MHz.Km

• Atenuação:

– Multimodo: 1 a 3,5 dB/Km

– Monomodo: 0,2 a 0,5 dB/Km

• Emissores de luz: LED ou LASER

• Detector de Luz: fotodiodo PIN ou fotodiodo de avalanche (APD)

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Fibra Óptica

Cone de

Aceitação

Casca (índice de refração n2)

Núcleo (índice de refração n1)

Fibra Ótica Monomodo (um modo predominante de propagação da luz)

Onde: n2 > n1

Luz

Cone de

Aceitação

Casca (índice de refração n2)

Núcleo (índice de refração n1)

Fibra Ótica Multimodo (vários modos de propagação da luz)

Onde: n2 > n1 Luz

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Fibra Óptica

Multimodo com

índice de refração

em degrau

Multimodo com

índice de refração

gradual (melhor

que a multimodo)

Monomodo

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Conectores de Fibra Óptica

Os conectores mais

utilizados na área de

automação são o ST e SC

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Fibra Óptica

Fibra óptica de 50 um, com

conector SC, com luz laser Fibra óptica sem luz

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Codificação do Sinal Digital • Os sistemas digitais precisam transmitir os níveis

lógicos 0 e 1

• Os cabos conduzem apenas sinais elétricos ou ópticos

• A codificação do sinal define as regras da representação elétrica/óptica dos níveis 0 e 1

• Existem dois métodos básicos de codificação

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Sinal Analógico • Um tipo de codificação analógica envolve a utilização

da modulação de uma senóide para transmitir os níveis 0 e 1

• Exemplo: protocolo HART

– nível 1: 1200 Hz

– nível 0: 2200 Hz

• Vantagens: menos suscetível a efeitos da distância e ruído. Permite múltiplos sinais no mesmo meio físico

• Desvantagem: eletrônica mais complexa

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Sinal Digital • A codificação digital muda o nível de tensão para

representar os níveis 0 e 1

• Exemplo: Padrão RS-232

– nível 1: +12 V

– nível 0: -12V

• Vantagem: eletrônica muito simples

• Desvantagem: apenas um sinal no meio físico, mais suscetível a ruídos e distâncias longas

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Sinal digital: Manchester • A codificação Manchester é um tipo de codificação

muito difundido. Utiliza transições de tensão para codificar os níveis 0 e 1

– Nível 1: transição negativa

– Nível 0: transição positiva

• Vantagens: boa imunidade a ruídos, clock embutido no sinal

• Exemplos: Ethernet, Foundation Fieldbus, Rockwell DH+, Modbus Plus

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Canais Simplex

• Canais Simplex permitem comunicação em apenas um sentido

• Exemplos: transmissões de TV e radiodifusão

• Um circuito 4 a 20 mA é um Canal Simplex

4 a 20 mA

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Canais Half-Duplex • Canais Half-Duplex permitem a comunicação

em ambos os sentidos, mas não simultaneamente

• Todas as redes locais (LANs), redes de campo e protocolos de campo são de um modo geral Half-Duplex

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Canais Full-Duplex

• Canais Full-Duplex permitem a

comunicação em ambos os sentidos de

um canal simultaneamente.

• Exemplos: telefones celulares.

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Comunicação Paralela • Consiste no envio de vários bits de sinal

simultaneamente através do canal de comunicação

• Normalmente pode enviar 8, 16, 24 ou 32 bits ao mesmo tempo

• Utilizada tipicamente em aplicações com distâncias curtas (dentro de gabinetes, interfaces SCSI, IDE, PATA)

0

1

0

1

1

1

0

0

Impressora com

Interface Paralela

(CENTRONICS)

Multicabo

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Comunicação Serial • Consiste no envio dos bits de sinal em seqüência

através do canal de comunicação

• Utilizada em aplicações de médias e longas distâncias

• Exemplo: RS-232, redes locais (LAN), redes de campo, comunicação com E/S remota de CLPs

1 0 0 1 0 1 1 0

Par trançado

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Modems • Convertem um sinal digital num sinal analógico e vice versa

(MODulador-DEModulador). Permitindo o uso de canal analógico (linha telefônica, enlace de rádio analógico)

• Existem muitos padrões de modem: CCITT (ITU) V.90, V.34, V.22, BELL-202

• Podem utilizar modulação FSK, PSK, QPSK, QAM, etc ...

Modem

Central

Telefônica

Sinal digital padrão EIA-232 Sinal analógico na linha telefônica

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A Interface Serial Assíncrona

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A Interface Serial Assíncrona

• Parâmetros

– Data bits: 7 ou 8

– Paridade: Não, Par ou Impar

– Stop Bits: 1 ou 2

– Velocidade (Baud Rate): 110, 300, 600,

1200, 4800, 9600, 19200, 38400 bits/s

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A Interface Serial Síncrona

• Sincronismo a cada bit enviado

• Dois sinais: – DATA: dados enviados

– CLOCK: sincronismo de relógio

• Sinal de relógio pode ser enviado como: – Sinal a parte

– Embutido junto com os dados

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Diferenças Assíncrona x Síncrona

• Assíncrona – Baixo custo

– Baixo rendimento (< 80%)

– Baixa taxas de transmissão (da ordem de 105 bits por segundo)

– Para seqüências pequenas de bits (até 8 bits por frame da UART)

• Síncrona – Mais cara

– Alto rendimento (> 90%)

– Altas taxas de transmissão (da ordem de 108 bits por segundo)

– Capaz de lidar com frames de milhares de bits sem erros

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Topologias de Rede

Rede em Anel Rede em Estrela

Rede em Barra

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Rede em

Árvore

Topologias de Rede

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Topologias de Rede

• Rede em Barra

– rede do tipo difusão (mensagem difundida para

todos os nós)

– geralmente mais barata e mais simples

– o cabo percorre todos os nós da rede, menor

confiabilidade da rede

– curto circuito num nó paralisa a rede

– cada nó usa derivação no meio físico

– Exemplos: EIA-485, Fieldbus Foundation

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Topologias de Rede

• Rede em Anel

– Mensagem gerada num nó da rede, circula na rede (anel) e é retirada quando retorna ao nó gerador ou pelo nó destinatário

– Cada nó é um repetidor de rede

– Ampliação requer interrupção da rede, se o anel não for redundante

– Normalmente mais confiável que a rede em barra

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Topologias de Rede

• Rede em Estrela

– não necessitam roteamento

– nó central: hub ou switch

– desempenho dependente do nó central

– confiabilidade dependente do nó central

– dificuldade de ampliação (depende do nó

central)

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Estrela Anel Barra

Requisitos de cabeamento + ++ +++

Facilidade de Configuração + ++ +++

Custo de implantação + ++ +++

Redundância +++ ++ +

Troughput +++ ++ +

Comparação das Topologias